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UNIVERSIDAD NORORIENTAL PRIVADA
“GRAN MARISCAL DE AYACUCHO”
ESCUELA DE INGENIERIA DE MANTENIMIENTO
NUCLEO ANACO
Proyecto final de vibraciones en maquinarias
Profesor: Realizado Por:
Ing. Melchor Ledezma Ortiz José E; C.I: 18593891
Barrios José, C.I: 18206456
Gonzalez Eubbeidys. C.I: 21042989
Viettri Pedro, C.I: 20073245
Anaco, Agosto de 2013.
INTRODUCCIÓN
El mantenimiento predictivo se basa en la detección de fallos en equipos
rotativos principalmente, a través del estudio de los niveles de vibración. El
objetivo final es obtener la representación del espectro de las vibraciones de un
equipo en funcionamiento para su posterior análisis el cual consiste en el estudio
del tipo la propagación de ondas elásticas en un material homogéneo y la
determinación de los efectos producidos y el modo de propagación. Las
vibraciones pueden ser medidas y caracterizadas midiendo la oscilación o
desplazamiento alternante de ciertos puntos al paso de una onda elástica.
Para aplicarla de forma efectiva y obtener conclusiones representativas y
válidas, es necesario conocer determinados datos de la máquina como son la
velocidad de giro, el tipo de cojinetes, de correas, número de alabes o de palas,
etc., y elegir los puntos adecuados de medida. También es necesario seleccionar el
analizador más adecuado a los equipos existentes en la planta.
Existen dos técnicas diferentes: la medición de la amplitud de la vibración, da
un valor global del desplazamiento o velocidad de la vibración. Cuando la
vibración sobrepasa el valor prestablecido el equipo debe ser revisado.
Únicamente informa de que hay un problema en el equipo, sin poderse determinar
por esta técnica donde está el problema y el análisis del espectro de vibración, la
vibración se descompone según su frecuencia. Analizando el nivel de vibración en
cada una de las frecuencias se puede determinar la causa de la anomalía. En este
caso el equipo se compone de 4 elementos:
Ordenador PC, normalmente portátil, en el que se almacenan las señales
Interface entre el sensor de vibración y el ordenador, o tarjeta de adquisición
de datos
Elemento sensor, que es el captador de la vibración
Software de análisis, capaz de realizar la descomposición de las señales y su
Representación gráfica, e incluso en algunos casos y en base a un sistema
experto, capaz de dar un primer diagnóstico del estado de la máquina
1. Estudio de Espectros para Realizar Análisis de Fallas a Diferentes
Equipos Rotativos Utilizando como Herramienta de Mantenimiento El
Análisis Causa Raíz (ACR).
La recolección e inspección fue realizada con el Colector de datos de
vibración IRD DATA PAC 1500, según la práctica recomendada SNT-TC-1A;
con un sensor de aceleración y el software Emonitor Odyssey; en equipos como:
Motores Eléctricos y Bombas Centrifugas
ESPECTRO Nº 1
TURBOCOMPRESOR T-7
PLANTA COMPRESORA SANTA ROSA BOOSTER
Tendencia de Vibración Productor de Gas, dirección vertical en unidades de velocidad. Descenso notorio en los valores globales de vibración.
Cascada Espectral de vibración del productor de gas, dirección vertical en pulgadas por segundo.
Se observa disminución en la componente 1X (en negro)
ANÁLISIS DE VIBRACIÓN
El productor de gas luego de presentar fluctuaciones en los valores de
vibración recolectados anteriormente, obtiene un descenso notable en sus valores
globales producto del mantenimiento realizado a dicha unidad. En el gráfico
espectral se aprecia el descenso brusco en amplitud de la componente 1X respecto
a sus últimas inspecciones, descendiendo de 0,22 ips hasta 0,10 ips en su última
inspección, producto posiblemente del desprendimiento de algún elemento
extraño adherido a las partes móviles que incidía en generar un desbalance de
masas. Tanto la turbina de potencia, la caja incrementadora de velocidad y el
compresor centrífugo de gas obtuvieron leves descenso en los valores globales de
vibración con tendencia estable.
Se puede observar el análisis que representa una de las fallas registradas en
el turbocompresor que conforma parte de la planta Compresora Santa Rosa
Booster, aunque se podría comenzar analizando la Falla del turbocompresor, este
no es un evento que se origina por sí solo, por ende cuando el evento se originó,
no tomamos esta misma sino el hecho que fallo el productor de gas que pudo ser
debido a fallas en los cojinetes, desbalanceo o desalineación, Se descartan la
primera y ultima hipótesis de acuerdo al comportamiento del espectro de
vibración, ya que se observa un pico de alta amplitud a 1X respecto a las últimas
inspecciones donde el descenso esta de 0.22 hasta 0.10 en unidades de velocidad
pulg/seg y armónicas de menores amplitudes, siendo este espectro el típico de
desbalance el cual genera una alta vibración la cual pudo ser originado por un
incremento en la frecuencia del paso de los alabes.
Las razones o modos que dieron origen a que hubiera un incremento en la
frecuencia del paso de los alabes pudo ser originada por: Alabes dañadas o con
erosión, también por una oscilación hidráulica o por una presión de salida
incorrecta en la descarga. Esto resulta evidente cuando vemos un aumento en la
frecuencia del paso de los alabes. (Evidencia física). El ritmo con que los alabes
pasan un punto fijo es igual al número de alabes por las RPM del rotor. La
frecuencia de paso de alabes es una de las frecuencias de fallas que son de interés
en los espectros de vibración en máquinas.
Continuando la búsqueda en retrospectiva de la causa y relaciones de los
efectos, nos preguntamos: ¿Cómo puede aumentarse la frecuencia en el paso de
los alabes y que origine como resultado una vibración en el compresor de baja?
Las hipótesis pueden ser: Alabes dañadas o con erosión, por una oscilación
hidráulica o por una presión de salida incorrecta. ¿Cómo podemos verificar cuál
de ellas es la verdadera causa que afecta esta condición? Simplemente se hizo que
uno de los técnicos expertos de la planta compresora Santa Rosa Booster analizara
mediante un ensayo no destructivo para el control de vibraciones mediante el uso
de acelerómetros y así poder medir el espectro de vibración y sus patrones. Dando
como resultado de su análisis signos de erosión en los alabes.
A medida que se desarrollaron nuevas series de hipótesis, se fue probando
lo que se decía en cada nivel del proceso. A medida que se avanzó en este proceso
reiterativo, se fue validando las conclusiones a cada paso del camino. De esta
forma, cuando se llegó a las conclusiones en cada etapa, esas conclusiones fueron
las correctas, porque no se están haciendo suposiciones, sino que están basadas en
"hechos". Dadas las condiciones que se analizaron, se hizo examinar los patrones
de vibración por uno de los técnicos, quien reporto (de manera científica) que hay
evidencia de que existe erosión en los alabes. Por ende se tuvo que plantear las
siguientes preguntas y establecer hipótesis: ¿Qué puede estar causando esa erosión
en los alabes? Puede ser por una expansión del vapor, o por retornos de líneas de
purga o aperturas erróneas de diferentes válvulas o por la formación de gotas de
agua que impactan y se incrustan en los álabes. Se verifico los registros y
mediante charlas con los técnicos confirme que esta condición pude suceder y son
las que afectan al equipo y dan como origen la erosión en los alabes. Por
consiguiente se tuvo que plantear una nueva hipótesis: ¿Por qué se originan estas
condiciones en el compresor?
La forma en que se originan estas condiciones son las siguientes: Por
expansión de vapor, En cada cuerpo de un compresor, ya sea de baja presión, alta
presión o presión intermedia, los álabes aumentan su tamaño a medida que
realizan escalonamientos debido a la expansión del vapor y su consecuente
aumento de volumen. Por este motivo es esencial realizar cálculos de vibraciones,
mediante espectros, para evaluar las frecuencias a las que está sometida cada
rueda de álabes. A medida que los álabes poseen mayor longitud, tienen una
frecuencia natural inferior y consecuentemente una frecuencia de resonancia
inferior. En caso que la frecuencia de un álabe coincida con la frecuencia de
resonancia se producirían vibraciones en el mismo que podría conllevar a
erosionar el alabe y su posterior rotura.
Por retornos de líneas de purga o aperturas erróneas de diferentes válvulas,
es la causa de fallo más frecuente en los compresores. En el momento que entra
agua al cuerpo del compresor, que está a una temperatura elevada, produce
cambios térmicos en los elementos, como álabes, además de producir golpes
contra los mismos pudiendo provocar desde un incremento del rendimiento hasta
erosión en las partes mecánicas. Por la formación de gotas de agua que impactan
en los álabes, los fallos por erosión se ven incrementados a medida que el vapor
circula por los distintos escalonamientos, por eso las últimas ruedas de álabes son
las que más expuestas son a verse afectadas por el fenómeno de erosión. Más
concretamente en un turbocompresor, que en sus últimas etapas trabaja con
presiones sub atmosféricas, es más fácil que se pueda condensar parte del vapor
en las últimas coronas de álabes del cuerpo de baja presión.
El problema radica en la formación de gotas de agua que impactan y se
incrustan en los álabes, a diferencia del vapor que “resbala” sobre ellos. Los
factores que influyen en la erosión son; el tamaño de las gotas producidas, la
diferencia del tipo del vapor entre coronas, velocidad de rotación y el
posicionamiento de las toberas con respecto a los álabes y los cilindros. Ahora ya
se conoce la real causa raíz, así que podemos desarrollar las soluciones que, una
vez implementadas, corrijan la falla en el sistema. A continuación se describe
todo el proceso disciplinado de pensamiento lógico en la eliminación de variables:
Presión de salida
incorrecta
Oscilación hidráulica
ANÁLISIS CAUSA RAÍZ
TURBOCOMPRESOR T-7
Aumento en la frecuencia del paso de los alabes
Erosión en los alabes (Físico)
Falla del turbocompresor
Formación de gotas de agua que impactan en
los álabes
Retornos de líneas de purga o aperturas erróneas de diferentes
válvulas
Expansión de vapor
En el momento que entra agua al cuerpo del
compresor, que está a una temperatura elevada,
produce cambios térmicos en los elementos, como
álabes, además de producir golpes contra los mismos pudiendo provocar desde
un incremento del rendimiento hasta erosión
El problema radica en la formación de gotas de agua que impactan en los álabes, a diferencia del vapor que
“resbala” sobre ellos.
Los álabes aumentan su tamaño a medida que realizan
escalonamientos debido a la expansión del vapor y su consecuente aumento de
volumen
Desbalanceo
Falla del Productor de Gas
Falla en los Cojinetes Desalineación
Alta vibración
RESUMEN DE ANÁLISIS CAUSA RAÍZ
La falla funcional se toma como la falla del Productor de Gas y su origen
está en las hipótesis de las fallas en los cojinetes, oleaje, desalineación y
desbalanceo. Se descartan las tres primeras hipótesis de acuerdo al
comportamiento del espectro de vibración, ya que se observa un pico de alta
amplitud a 1X respecto a las últimas inspecciones donde el descenso esta de 0.22
hasta 0.10 en unidades de velocidad pulg/seg y armónicas de menores amplitudes,
siendo este espectro el típico de desbalance. La disminución de la vibración ocurre
después de realizas un lavado axial del Productor de Gas.
RECOMENDACIONES
Programar para el próximo mantenimiento, la revisión del rodamiento del
engranaje de la bomba de aceite sello.
Instalar indicador de temperatura de succión y descarga del compresor de
gas en el PLC.
Instalar contador de número de arranque en la unidad.
Mantener los parámetros de operación dentro de los rangos del fabricante.
ESPECTRO Nº 2
BOMBA Nº 1 (PLANTA DE AGUA KAKI)
Espectro de Vibración Bomba N°1, lado acople, dirección horizontal en unidades de velocidad. Se
aprecia pico a 1X y el incremento del número de armónicas.
ANALISIS DE VIBRACION
No se apreciaron anomalías visuales en la unidad, los valores de los
niveles globales de vibración del motor eléctrico se encuentran dentro del rango
normal de operación, con tendencia descendente en ambos extremos.
La bomba de agua en la dirección horizontal, lado acople refleja un leve
descenso en los valores globales de vibración, manteniéndose el rango normal de
operación preestablecido, siendo el valor medido de 0,25 ips (Pulgadas por
segundo). En el espectro de vibración de dicha dirección, se continúa apreciando
el incremento progresivo de un pico a 1X con armónicas hasta 10X.
La vibración de la bomba que actualmente se encuentra en dirección
horizontal es producto de aflojamiento mecánico que es inducido por posibles
tensiones de las tuberías y/o aflojamiento de las tuercas de sujeción y por inicio de
desgaste en el rodamiento lado acople.
Lo que conlleva a analizar la falla de la motobomba sin embargo, cuando
el evento se presentó, No llamó nuestra atención la falla del equipo, sino el hecho
de que en el espectro se puede evidenciar características de un rodamiento dañado,
por lo tanto el evento final a estudiar es este. Una razón o modo de que la
motobomba fallase fue debido a la falla del rodamiento. Esto resulta evidente
cuando vemos el rodamiento dañado (evidencia física).
Continuando la búsqueda en retrospectiva de la causa y relaciones de los
efectos, me pregunte: ¿Cómo puede fallar un rodamiento? Las hipótesis pueden
ser: lubricante erróneo, sobrecarga, desgaste por fatiga del material y uso de un
rodamiento inadecuado. ¿Cómo podemos verificar cuál de ellas es la verdadera
causa? Simplemente se hizo que un experto metalúrgico analizara el rodamiento.
Dando como resultado de su análisis signos de desgaste por fatiga del material, lo
que es sinónimo de un mal ajuste en el rodamiento. Por ende se tuvo que plantear
las siguientes preguntas y establecer hipótesis: ¿Qué puede estar causando el
desgaste por fatiga en el rodamiento que genera una alta vibración? Ya que al
verificar los registros se confirma que había demasiada vibración. Esta alta
vibración puede ser causada por: excentricidad, desbalanceo, holgura mecánica y
desalineación.
De estas hipótesis se pueden descartar todos menos la holgura mecánica ya
que si se ve el espectro de vibración de la bomba en dirección horizontal en
unidades de velocidad, se aprecia pico 1X y el incremento del número de
armónicas. Este espectro se caracteriza por la gran cantidad de armónicas de la
frecuencia de giro con altas amplitudes que es indicativo de que hay un mal ajuste
que origina holguras.
ANÁLISIS CAUSA RAÍZ
BOMBA Nº 1 (PLANTA DE AGUA KAKI)
RESUMEN DE ANÁLISIS CAUSA RAÍZ
La falla funcional se toma como la falla del rodamiento de la bomba del
lado del acople y que su origen está en las hipótesis de lubricante erróneo,
sobrecarga, ajuste erróneo y uso de un rodamiento inadecuado. Se descartan las
dos primeras y ultimas hipótesis de acuerdo al comportamiento del espectro de
vibración de la bomba en dirección horizontal en unidades de velocidad, se
aprecia pico 1X y el incremento del número de armónicas. Este espectro se
caracteriza por la gran cantidad de armónicas de la frecuencia de giro con altas
amplitudes que es indicativo de que hay un mal ajuste que origina holguras.
Falla del rodamiento lado
acople
Alta vibración
Excentricidad
Desbalanceo DesalineaciónHolgura Mecánica
Falla de la motobomba
Lubricante erróneo Sobrecarga Rodamiento inadecuado
Desbalance por fatiga del material
Ajuste erróneo
RECOMENDACIONES:
Es recomendable realizar las siguientes acciones de mantenimiento
preventivo para mantener los equipos dentro de los parámetros de
funcionamiento normales:
Programar y verificar las tensiones de las tuberías de succión y descarga
de la bomba.
Programar y verificar el ajuste de los pernos de anclaje de la bomba.
Programar la revisión del estado físico del rodamiento de la bomba del
lado acople.
Revisar el estado físico del acople de la unidad.
ESPECTRO Nº 3:
TURBOCOMPRESOR T-3 SAN JOAQUÍN II
Mantenimiento Previo: Reemplazo del acople y la nivelación del soporte de
anclaje en la turbina de potencia
Tendencia de valor global de vibración sección entrada de caja incrementadora de velocidad, luego
del reemplazo del acople y la nivelación del soporte de la turbina de potencia, en la dirección
horizontal en unidades de velocidad. Se observa el descenso considerable una vez ejecutadas las
recomendaciones emitidas por la sección de equipos dinámicos.
99% PG y 99,5% TP día 29-03-06
Luego del reemplazo del acople y nivelación del soporte de la TP, con 98% PG y 91%TP día 30-03-06
Cascada espectral de vibración registrado en la entrada de la caja incrementadora de velocidad,
luego del reemplazo del acople y la nivelación del soporte de anclaje de la turbina de potencia (30-
03-06), nótese el descenso de amplitud de la componente 1X de la turbina de potencia en
comparación de la inspección del día 29-03-06, a medidas que se incrementa la velocidad de la
maquina, una vez ejecutadas las recomendaciones emitidas por la sección de equipos dinámicos.
Componente 1X TP 76 %entrada caja incrementadora
Componente 1X TP 91 %entrada caja incrementadora
Componente 1X TP 99,5% entrada caja incrementadora día 29-03-
Componente 1X TP 75% entrada caja incrementadora día 29-03-
Cascada espectral de vibración registrado en la turbina de potencia, luego del reemplazo del acople
y la nivelación del soporte de anclaje de la turbina de potencia (30-03-06), nótese el descenso de
amplitud de la componente 1X de la turbina de potencia en comparación de la inspección del día
29-03-06, a medidas que se incrementa la velocidad de la maquina, una vez ejecutadas las
recomendaciones emitidas por la sección de equipos dinámicos.
ANALISIS DE VIBRACION
Los valores globales de vibración en la sección de la turbina de potencia
descendieron considerablemente manteniéndose estable durante el incremento de
la velocidad de la máquina con valores medido actuales desde 0,110 ips hasta
0,150 ips, en referencia con la inspección anterior donde se incrementa desde
0,175 ips hasta 0,247 ips. En la cascada espectral de vibración de la turbina de
potencia y en la entrada de la caja incrementadora de velocidad, se aprecia el
descenso brusco de la amplitud de la componente 1X de dicha turbina, con un
valor actual medido de 0,11 ips y siendo el valor en la inspección anterior de 0,32
ips.
Componente 1X TP 76% día 30-03-06
Componente 1X TP 91% día 30-03-06
Componente 1X TP 75% día 29-03-06
Componente 1X TP 99,5% día 29-03-06
De los datos obtenidos en el monitoreo de vibración de la unidad
turbocompresora se puede determinar que la alta vibración obtenida en la
máquina, la estaba causando el acople entre la turbina de potencia y la caja
incrementadora de velocidad y, la desnivelación del anclaje del soporte de la
turbina de potencia.
ANÁLISIS CAUSA RAÍZ
TURBOCOMPRESOR T-3 SAN JOAQUÍN II
RESUMEN DE ANÁLISIS CAUSA RAÍZ
La falla funcional se toma como la falla del Acople de la Turbina de
Potencia / Caja Incrementadora y su origen está en las hipótesis de la holgura
mecánica, excentricidad, desbalanceo y desalineación.
Falla del Turbocompresor T-3
Holgura Mecánica
Falla del Acople Turbina de Potencia / Caja
Desalineación Desbalanceo
Alta vibración
Desgaste de los engranajes
Tensión de Tuberías
Anclaje de la Turbina
Torque No Adecuado a Pernos de Anclaje
Falta de Procedimientos
Aflojamiento de Pernos
Excentricidad
Se descartan las tres primeras hipótesis de acuerdo al comportamiento de
la vibración que se observa en el grafico de la cascada espectral registrado en la
entrada de la caja incrementadora de velocidad luego del reemplazo del acople y
la nivelación del soporte de anclaje de la turbina de potencia donde se nota el
descenso de la amplitud de la componente 1x en comparación con la lectura de la
fecha anterior.
RECOMENDACIONES:
Mantener en observación la unidad turbocompresora hasta que se
restablezca las condiciones operacionales del proceso.
ESPECTRO Nº 4
MOTOBOMBA Nº PAP-1
PLANTA DE AGUA POTABLE ANACO
Espectro de vibración motor eléctrico, Motobomba PAP-1, dirección horizontal en pulgada por segundo, se aprecia la componente 1X con mayor amplitud y
armónicas de menores amplitudes.
ANALISIS DE VIBRACION
El motor eléctrico obtiene un descenso notorio en los valores de vibración
global, en ambos extremos en la dirección vertical, descendiendo desde el rango
de parada hasta el rango normal de operación preestablecido, en la dirección
horizontal desciende significativamente manteniéndose en el rango de parada,
siendo el valor medido de 0,48 ips en ambos extremos.
En el espectro de vibración se observa un pico de alta amplitud a 1X de la
velocidad de giro del eje con un valor de 0,46 ips. En la forma en que se pudo
apreciar el espectro de vibración altos niveles de amplitud en la componente 1X se
determina que el rotor del motor eléctrico de la unidad PAP-1 presenta desbalance
mecánico.
ANÁLISIS CAUSA RAÍZ
MOTOBOMBA Nº PAP-1
Falla del Motor Eléctrico
Variación de Corriente
Falla del Rotor
Desbalanceo Desalineación
Alta vibración
Campo Magnético Rotativo
Barras Rotas ExcentricidadCojinetes
Mala InstalaciónCarga Excesiva
Falta de Lubricación
RESUMEN DEL ANÁLISIS CAUSA RAÍZ.
La falla funcional se toma como la falla del rotor del motor eléctrico y que
su origen está en las hipótesis de la variación de la corriente, la desalineación y el
desbalance. Se descartan las dos primeras hipótesis de acuerdo al comportamiento
del espectro de vibración, ya que se observa un pico de alta amplitud a 1X de la
velocidad de giro del eje del motor eléctrico en dirección horizontal en unidades
de velocidad pulg/seg y armónicas de menores amplitudes, siendo este espectro el
típico de desbalance.
RECOMENDACIONES:
Identificar las motobombas.
Reemplazar el motor eléctrico.
FUNCIONALIDAD DE LOS DIFERENTES TIPOS DE ANÁLISIS DE
VIBRACIONES
El objetivo del análisis de vibraciones es extraer el máximo de
información relevante que ella posee. Para esto existen diferentes técnicas de
análisis tanto en el dominio tiempo como en el dominio frecuencia, las cuales
tienen sus propias ventajas para algunas aplicaciones en particular. A
continuación se presenta algunas de las técnicas más utilizadas en la inspección
de máquinas.
Análisis de amplitud
Consiste en hacer mediciones de amplitudes en la dirección horizontal, vertical y
axial, para ayudar a identificar los problemas que pueden ocurrir a una
determinada frecuencia excitatriz.
Características
La amplitud más alta de la vibración se encuentra normalmente cerca de la
pieza de la máquina en la cual se localiza el problema.
Cuanto mayor es la amplitud tanto más grave será la vibración.
La amplitud total de vibración es la sumatoria de las amplitudes de
vibración a las diferentes frecuencias excitatrices de la máquina, que
generan las causales de vibración.
En la siguiente figura se muestra las combinaciones frecuencia de vibración.
Combinaciones de frecuencia de vibración
Las mediciones de amplitud se pueden hacer con vibrómetro portátiles
(SPM VIB 10) o con analizador (IRD 350, 360, 435 y Fast Track).
Existen dos tipos de comparaciones:
Tipos de comparaciones.
Radial vs. axial.
Será descrito por medio de la siguiente tabla:
Tabla N° 1: Comparación radial Vs. Axial
EFECTO CAUSAREPRESENTACIÓN
GRÁFICA
Vibraciones altas
radiales y vibraciones
bajas axiales
Desequilibrio doble
apoyo
Vibraciones altas
radiales y vibraciones
altas axiales.
Desalineación
Desequilibrio voladizo
Horizontal vs. Vertical.
Será descrito por medio de la siguiente tabla
Tabla N° 2: Comparación horizontal Vs. vertical
EFECTO CAUSA
Vibración horizontal de 2 a 5 veces
mas alta que de vertical
Comportamiento normal de vibración
Vibración horizontal más de 8 meses
más alta que la vertical.
Resonancia de la máquina o estructura
Vibración horizontal inferior a la
vertical
Cojinetes flojos juego de rodamiento
La amplitud más alta de la vibración se encuentra normalmente cerca de la
pieza de la máquina en la cual se localiza el problema. Por lo tanto, si un estudio
inicial de los datos revela que hay amplitudes predominantes que acontecen a una
frecuencia particular, es muy probable que el problema esté radicado en la porción
de la máquina en la cual se verifica la amplitud predominante a esa frecuencia.
Análisis de frecuencias
La vibración de la mayoría de las máquinas consta de muchas frecuencias
diferentes, por lo que el análisis de frecuencias persigue identificar con precisión
la frecuencia de la vibración y relacionar dicha frecuencia con la velocidad de
rotación de las varias piezas de la máquina. Identificando así el problema y la
pieza responsable.
Para hacer un análisis debemos conocer las frecuencias excitatrices de la
máquina. Las frecuencias excitatrices son aquellas generadas por la máquina o
pieza y además las armónicas de estas (múltiplos enteros de cada frecuencia
generada).
En caso de velocidades variables, se debe considerar la velocidad normal
de trabajo para calcular frecuencias excitatrices.
Se debe determinar dentro de las frecuencias excitatrices de una máquina la
frecuencia dominante (aquella que tiene mayor amplitud) y ella nos indica la
presencia del problema. A través de barrido de frecuencias.
Barrido frecuencia:
Consiste en hacer mediciones de vibración a diferentes frecuencias
excitatrices de la máquina para ubicar el problema. Estas mediciones se pueden
hacer una por una manualmente filtrando frecuencias (IRD 350, IRD 360) o
automáticamente (IRD 820). IRD Fast Track. Para realizar un buen barrido
automáticamente debemos realizarlo en cada plinto de interés de la máquina y en
las tres direcciones. Se recomienda gráficas amplitud vs. Frecuencia de la
siguiente manera:
amplitud vs. Frecuencia
En este ejemplo se ven dos picos: uno a 1xRPM y otro a 2xRPM, siendo
mayor el de 2 x RPM: típico de juego mecánico.
Tabla N°3: Frecuencias de vibración y causas probables de falla.
Como puede apreciarse en esta tabla, existen numerosos problemas
mecánicos y eléctricos que pueden originar espectros de frecuencia similares. En
estos casos es necesario obtener información adicional, ya sea a través de la
medición de las vibraciones en distintas direcciones, como así también analizando
los espectros obtenidos en distintas condiciones de operación de la máquina o
analizando transitorios como los de arranque y detención de la máquina o
relaciones de fase entre puntos de medición.
Gama de frecuencias
La gama de frecuencias de la vibración generada en una máquina influirá
en la selección del captador. En general, las pautas para la frecuencia son:
a) Utilice transductores de desplazamiento para:
bajas frecuencias, por debajo de aproximadamente 600 cpm
mediciones relativas
máquinas pesadas con rotores livianos
posición del rotor
b) Utilice transductores de velocidad o los parámetros de velocidad cuando:
la gama de frecuencias a medir se encuentra entre 600 y 100.000 cpm
el transductor se sostiene en la mano
se quieran medir los niveles de vibración total de la maquinaría
se utilizan procedimientos generales de análisis
la longitud de los cables llega a los 1000 pies (305 m).
Para frecuencias en uno gama de 60 a 600 cpm y para balanceos a baja
velocidad se recomienda el uso de un captador sísmico de velocidad
(piezoeléctrico).
c) Utilice transductores acelerómetros, o los parámetros correspondientes, cuando:
la gama de frecuencias está entre tos 600 y los 600.000 cpm
se midan respuestas estructurales a altas frecuencias.
se hagan mediciones de la energía de impulsos en rodamientos de
elementos rodantes, engranajes y trenes de engranajes, así como en
fuentes de vibración aerodinámica de alta frecuencia (frecuencias del
paso de álabes).
Análisis de espectros de frecuencia (FFT)
El análisis frecuencia (o espectral), es la técnica más comúnmente
empleada para el diagnóstico de fallas por medio del análisis de vibraciones.
Constituye un análisis poderoso para poner en evidencia periodicidades ocultas en
una serie temporal, tal como lo es, por ejemplo, el electroencefalograma. El
espectro de potencia refleja la energía de cada uno de los componentes de
frecuencia del proceso estudiado. Permite distinguir los componentes espectrales
y cuantificarlos.
Cuando se mide una máquina, se genera una información muy valiosa que
es necesario analizar. El éxito de este análisis depende de la correcta
interpretación que se le da a los espectros capturados con respecto a las
condiciones de operación en que se encuentra la máquina.
A continuación se muestra un esquema de cómo sería la captura de la
información desde una máquina para luego ser analizada
Esquema de recolección de información de una maquina
Análisis de Fourier
Consiste en aislar los componentes del sistema que tienen una forma
compleja para tratar de comprender mejor su naturaleza u origen. Se dedica al
estudio de señales: periódicas o no periódicas, continuas o discretas, en el dominio
del tiempo, o de cualquier otra variable unidimensional, bidimensional o
multidimensional. En sus versiones más avanzadas estudia: procesos estocásticos,
funciones de distribución, y topologías complejas, pero sus fundamentos siguen
siendo muy simples.
Análisis de fase de vibraciones
Consiste en hacer mediciones de fase en cada punto de apoyo de la
máquina en las direcciones horizontal, vertical y axial, para identificar problemas
que ocurren a una determinada frecuencia. Estas mediciones se pueden hacer
mediante una luz estroboscopica (IRD 350), un sensor magnético (IRD 360J, un
sensor foto eléctrico IRD Fast Track), ver siguiente figura.
Análisis de fase vibraciones.
Las mediciones de fases se realizan a 1 z rpm, y usando la misma marca de
referencia. Se puede definir la diferencia de fase entre dos vibraciones de igual
frecuencia como la diferencia en tiempo o en grados con que ellas llegan a sus
valores máximos, mínimos o cero.
El análisis de diferencias de fase a la velocidad de giro de la máquina entre
las vibraciones horizontal y vertical o entre las vibraciones axiales de los
diferentes descansos del sistema motor máquina, permite determinar los
movimientos relativos entre ellos, y diferenciar entre problemas que generan
vibraciones a frecuencia 1x rpm:
Desbalanceamiento
Desalineamiento
Eje doblado
Resonancia
Poleas excéntricas o desalineadas.
Fase en cojinetes: Determinar como se mueve axialmente un rodamiento con
respecto a otro. Comparación de fases de dos o más cojinetes, Ver siguiente
figura.
ejemplo de fases en cojinete
Los sensores se colocan radialmente 90 grados uno con respecto al otro en
el mismo cojinete, la coherencia tiene que ser 1 para comprobar que la fuente
(fuerza) es la misma para los dos sensores.
Lo ideal es que la fase que se muestre en el analizador sea 90 grados, si no
es así, tenemos problemas: puede ser excentricidad, excentricidad con holgura,
esta excentricidad puede ser debida a desalineación entre elementos del equipo o
entre el equipo y otro unidos por un acople.
Fase en un eje: los sensores se colocan radialmente misma dirección y
sentido en ambos cojinetes de apoyo del eje (por lo general son dos), la fase
debería ser 0grados en el analizador (coherencia 1), de no ser así tenemos
problemas de desalineación paralela entra cojinetes del equipo y el eje.
Fase en juntas entres componentes: se usa para detectar si existe
desplazamiento relativo entre piezas que están sujetadas por tornillos, por
ejemplo, bomba-patín, patín-losa, tapas de cojinetes, cajeras de cojinetes y la
carcasa de bomba. Los sensores se colocan mismo sentido y misma dirección,
ambos sensores colocados en las dos piezas respectivamente deberían dar como
resultado fases de 0 grados, de no ser así estamos en presencia de dos piezas que
no están bien ajustadas o por algún motivo en particular no se efectúa el apriete de
la junta de manera perfecta.
Estas son las más comunes aplicaciones para el monitoreo de la condición
y en especial como se está comportando el eje dentro del cojinete.
2.6 Nivel de vibraciones “OVERALL”
También conocido como nivel global de vibración es aquel que permite la
más rápida evaluación del estado de la máquina con la desventaja de que a través
de él no se puede dar un diagnóstico sobre lo que está ocasionando o puede
ocasionar la falla en el equipo.
El nivel de vibración overall es la medida total de la energía asociada con
las frecuencias que componen el espectro de vibración, ya que resulta de la suma
de las amplitudes desde una frecuencia mínima hasta una frecuencia máxima.
Estos Valores obtenidos son comparados con los valores tomados cuando la
máquina se encuentra en buenas condiciones de operación así como también con
valores de alarma preestablecidos ya sea por normas o especificaciones técnicas
del equipo.
El mejor punto de partida o inicio al trabajar con estos niveles, es graficar
todas las medidas realizadas para que pueda ser observada la condición y la
variación del equipo a través del tiempo, pudiendo así poder establecer criterios de
severidad propios del equipo. Para calcular este valor tal y como se observa en la
Ecuación es necesario obtener la raíz de la sumatoria del cuadrado de cada
una de las amplitudes que componen el espectro en dominio en la frecuencia
como el que se observa en la Figura 2.3 obtenido a través de la FFT (Fast Fourier
Transform o transformada rápida de fourier) dividido entre factor de ancho de
banda generalmente utilizado en medidas de rutas de un plan de Mantenimiento
Predictivo como lo es la ventana Hanning.
Donde:
VG= Nivel Global de Vibración Overall
N= Líneas de Resolución
Ai= Amplitud de cada una de las líneas
NBF= Factor de Ancho de Banda (1,5 para la Ventana de Hannign)
Nivel Total de un Espectro
Recomendaciones para Realizar las Mediciones
Este tipo de instrumentos se utiliza para seguir la evolución de una
máquina, por ello, hay que medir siempre en condiciones semejantes
(temperatura, velocidad, ente otros). De este modo se podrán
comparar los datos recopilados.
A la hora de situar la sonda, es importante evitar grasa, aceite,
superficies pintadas, huecos estructurales, zonas descargadas, entre
otros.
El ángulo que forma el instrumento, tiene que ser de
aproximadamente 90º con la superficie.
La presión ejercida, tiene que ser firme, pero no tan fuerte que
modifique la vibración de la máquina.
ANÁLISIS DE LOS SIGUIENTES SUBSISTEMAS: SUBAMORTIGUADO,
SOBREAMORTIGUADO Y CRÍTICAMENTEAMORTIGUADO.
En todos los movimientos oscilantes reales, se disipa energía mecánica
debido a algún tipo de fuerza de fricción o rozamiento. Cuando esto ocurre, la
energía mecánica del movimiento oscilante disminuye con el tiempo y el
movimiento se denomina amortiguado. La representación más sencilla y más
común de una fuerza de amortiguamiento es aquella que la considera proporcional
a la velocidad de la masa pero en sentido opuesto,
En donde b es una constante que describe el grado de amortiguamiento.
Subamortiguado:
La vibración libre, u movimiento momentáneo, es el movimiento periódico
que se observa cuando el sistema se desplaza de su posición de equilibrio estático.
Si el factor de amortiguamiento g es menor que la frecuencia natural w0, el radical
en el exponente de las exponenciales resulta imaginario:
2/1220
2/12/120
2 1
,i2/12
02
Las fuerzas actuando son la fuerza elástica, la fuerza de rozamiento y el peso
de la masa, provocando la disipación de energía y por consiguiente las
oscilaciones disminuyen con el tiempo, este comportamiento se define como
oscilación sub amortiguada.
Este comportamiento se rige por la expresión:
)()( tBCostASenetX ddtn
Donde:
ξ: Factor de amortiguamiento
ωn:: Frecuencia angular natural en radianes por segundo
ωd: Frecuencia angular natural amortiguada en radianes por segundo
A, B: Amplitud de onda.
El movimiento es oscilatorio con frecuencia angular d , la amplitud del
movimiento decrecerá exponencialmente con el tiempo a causa del término tne
, conocido con el nombre de factor de decaimiento.
El coeficiente de amortiguamiento crítico, cc, llamado así debido a que es
un valor pequeño de c que inhibe completamente la oscilación y representa la
línea de división entre el movimiento oscilatorio y mono oscilatorio
Cuando c<cc ó ξ <1 El sistema oscila alrededor de la posición de equilibrio con
una amplitud que decrece progresivamente.
tne
Respuesta del sistema subamortiguado con factor de decaimiento
exponencial.
Respuesta del sistema subamortiguado.
Para el movimiento con una constante de resorte y masa de la partícula
determinadas, las oscilaciones se amortiguan con mayor rapidez a medida que el
valor máximo de la fuerza retardadora se acerca al valor máximo de la fuerza
restauradora.
Críticamente amortiguado:
Cuando c=cc ó ξ =1 El sistema retorna a su posición inicial de equilibrio
sin oscilar, por tal razón es llamado sistema críticamente amortiguado o sistema
con amortiguamiento crítico. En este caso una vez liberado desde el reposo en
cierta posición de no equilibrio, el sistema regresa al equilibrio y ahí permanece.
Se dice que el amortiguamiento es crítico porque la masa tiende a la posición de equilibrio debido al decaimiento exponencial en la posición en
función del tiempo, en donde la función lineal del tiempo aunque crezca, su crecimiento en el tiempo no es lo suficientemente grande para contrarrestar el decaimiento de la función exponencial.
Respuesta del sistema críticamente amortiguado
Respuesta del sistema críticamente amortiguado.
El régimen de amortiguamiento crítico es la frontera entre el sub
amortiguamiento y el sobre amortiguamiento. Como ya se dijo si el factor de
amortiguamiento g es igual a la frecuencia natural w0, se dice que el
amortiguamiento es crítico porque la masa tiende a la posición de equilibrio
debido al decaimiento exponencial en la posición en función del tiempo. A partir
de la posición en función del tiempo para el amortiguamiento crítico, la velocidad
resulta
.Ct1Cetv 21t
Si las condiciones iníciales son x(0) = x0, y v(0) = v0, entonces aplicadas a
otras ecuaciones resultan las relaciones:
,Cx 10 ;CCv 210
De donde se obtiene el valor de la constante C1, y para la constante C2
resulta:
.xvC 002 En el caso del amortiguamiento crítico la masa no tiene oportunidad de
oscilar, y cualquiera que sean las condiciones iníciales, la tendencia del
movimiento es la de llevar a la masa hacia la posición de equilibrio.
Sobreamortiguado:
Si c>cc ó ξ >1 El sistema no oscila pero retorna a su posición de equilibrio
lentamente, por tal motivo es denominado sistema sobre amortiguado. En estas
condiciones es evidente que no habrán oscilaciones, y la partícula regresará a la
posición de equilibrio sin rebasarla o rebasándola una vez a lo sumo. Si el medio
es tan viscoso que la fuerza retardadora es más grande que la restauradora, el
sistema está sobre amortiguado.
Otra vez, el sistema desplazado, cuanto tiene libertad de moverse, no
oscila, sino simplemente regresa a su posición de equilibrio. Conforme aumenta
el amortiguamiento el tiempo que le toma al sistema aproximarse al equilibrio
también aumenta.
Respuesta del sistema sobre amortiguado.
Es una onda senoidal con un desfase determinado, modulada por una
exponencial que decrece con el tiempo y una constante. Se presenta cuando b >
2mo. Entonces de acuerdo con la definición de la frecuencia angular de las
oscilaciones amortiguadas, será imaginaria. Para unas condiciones iníciales
dadas (xo,vo), cuanto mayor sea el amortiguamiento más tiempo empleará el
sistema en quedar en reposo en la posición de equilibrio. Para el oscilador
sobreamortiguado, la solución de la ecuación diferencial es de la forma:
Con
Donde A1 y A2 son dos constantes de integración cuyos valores
dependerán de las condiciones iníciales (xo,vo).
Si el factor de amortiguamiento g es mayor que la frecuencia natural w0, el
radical en el exponente de las exponenciales son menores que el factor de
amortiguamiento,
,2/12
02
Por lo que la función exponencial que multiplica a B1 crece más
lentamente de lo que la función exponencial que se encuentra fuera de los
corchetes tiende a cero.
La velocidad de la masa en el movimiento sobreamortiguado es:
.eBeBetv t2
2/120
2t1
2/120
2t2/12
022/12
02
Si las condiciones iníciales son x(0) = x0, y v(0) = v0, entonces, aplicadas
a otras ecuaciones resultan las relaciones:
;BBx 210
,BBv 2
2/120
21
2/120
20
De donde se obtiene el valor de las constantes B1 y B2, resulta:
,
2
xvB
2/120
2
0
2/120
20
1
.
2
vxB
2/120
2
00
2/120
2
2
En el caso del sobreamortiguamiento la masa no tiene oportunidad de
oscilar, y cualquiera que sean las condiciones iníciales, la tendencia del
movimiento es la de llevar a la masa hacia la posición de equilibrio. La siguiente
gráfica muestra las características de este sistema.
Respuesta del sistema sobre amortiguado
MODELO MATEMÁTICO MECÁNICO, ENCONTRAR SU ECUACIÓN
DIFERENCIAL Y SIMULAR SU ECUACIÓN EN CUALQUIER
SIMULADOR MATEMATICO.
MODELO MECÁNICO MATEMÁTICO (MASA, RESORTE Y
AMORTIGUADOR)
El sistema a simular es uno conformado por una masa, un resorte, y un
amortiguador, cuyas constantes respectivas son m=8 Kg, k=20 N/m, b=2 Ns/m.
Reemplazando en la ecuación (15)
Se obtiene la ecuación:
Primero se debe analizar el discriminante con el objetivo de determinar el
tipo de amortiguamiento:
Dado lo anterior, se trata de un sistema Subamortiguado, por lo tanto, de la
ecuación (25):
Donde:
Entonces la expresión para la posición de la masa con condiciones
iniciales y(0)=2m y v(0)=0m/s es:
En la figura siguiente se muestra la gráfica de la posición de la masa dada
por la ecuación. Se observa que el sistema inicia en 2m y comienza a oscilar de
forma amortiguada hasta los 30s, tiempo en el cual el movimiento se reduce
debido al amortiguador.
Comportamiento de la masa perteneciente al sistema en estudio obtenido en el programa Matlab©.
Si la masa es sometida a una fuerza externa de la forma f (t) = 10sin(4πt) ,
el sistema se verá forzado a seguir esta nueva fuerza, por lo que al final del
comportamiento natural se percibirá una oscilación sinusoidal simple. Este efecto
se observa en la siguiente figura. La ecuación diferencial en este caso será:
Movimiento de la masa del sistema amortiguado en presencia de una fuerza externa senoidal f(t).
IMPORTANCIA DE LA INSTRUMENTACION DE VIBRACIONES EN
EQUIPOS
Cuando se requiere estudiar la vibración con el propósito de eliminarla,
debemos utilizar un sistema para medición y análisis de vibración.
Para producir vibración será necesario hacer uso de equipo generador de
vibraciones, también llamado equipo de excitación.El uso de la instrumentación es
necesario para la determinación de los niveles de vibración el cual es variado
según el origen de los mismos y del uso que se le de al resultado obtenido.
Para el monitorizado de diferentes maquinas en el ámbito de la industria
existe una gran cantidad de instrumentos de medición dispuestos en localizaciones
estratégicos y de forma permanente alrededor de las maquinas, de esta forma se
controlan en tiempo real posibles modificaciones de los régimen de trabajo y se
detectan a tiempo irregularidades mecánicas que pudieran dar lugar a la perdida
de efectividad del rendimiento de la maquina y como consecuencia de ello averías
graves en las mismas y provocando su autodestrucción.
Además, se hace posible la protección frente a los riesgos laborables de los
trabajadores motivado por la exposición a vibraciones. Aunado a esto, los
problemas de vibraciones generalmente se traducen en altos costos de operaciones
y mantenimiento debido al desgaste prematuros o las fallas. Las mediciones de
vibraciones pueden dar información sobre las condiciones de los equipos y
pueden ayudar a diagnosticar una falla para su posible corrección a tiempo.
IMPORTANCIA DEL MOVIMIENTO ARMÓNICO SIMPLE EN EL
ESTUDIO DE LAS VIBRACIONES
Actualmente, el estudio y análisis de las vibraciones mecánicas ha tomado
mayor fuerza en la supervisión de los sistemas mecánicos, sobre todo de
elementos de tipo rotativo; ya que el monitoreo de condiciones de una maquina
tiene como propósito obtener información de la misma, de tal forma que permita
determinar el estado en que estas se encuentran, logrando que su operación y
mantenimiento sean sencillos, seguros y económicos.
De acuerdo a lo antes descrito, el movimiento armónico simple tiene una
gran participación debido a que es un movimiento modélico en el estudio de las
vibraciones, en este sentido, los sistemas mecánicos al ser sometidos a la acción
de fuerzas variables con el tiempo, principalmente periódicas, responden variando
sus estados de equilibrio y, como consecuencia, presentan cambios de
configuración que perturban su normal funcionamiento, presentan molestias al
personal que los maneja y acortan la vida útil de los mecanismos.
Teóricamente se puede definir el movimiento armónico simple como un
movimiento periódico de vaivén, en el que un cuerpo oscila a un lado y a otro de
su posición de equilibrio, en una dirección determinada, y en intervalos iguales de
tiempo. De allí se precisa la importancia del movimiento armónico simple en el
estudio de las vibraciones, considerando que características como la frecuencia y
la amplitud dadas durante este movimiento permiten deducir el nivel de vibración
de una maquina determinada.
En relación con la obtención de los niveles de vibración a los que está
operando una maquina donde se ha detectado un problema, es posible identificar
cual ha sido su causa y así buscar la forma y el momento de reparación más
eficiente, es decir que elimine el fallo y su coste económico sea el mínimo
posible. En términos generales las características del movimiento armónico simple
que se presenten en el estudio de vibraciones van a proporcionar una orientación e
información al analista de cuál es el estado de la maquina en estudio.
BIBLIOGRAFÍA
Simulation of a Spring-Mass-Shock Absorber System with Electronic Circuits
Scientia et Technica de 2001
DAVID O. BUKOWITZ K Diagnóstico de Fallas en Máquinas Mediante
Análisis de Vibraciones 16 CASOS DE ESTUDIO
ING. QUIRINO JIMENEZ D. MODELOS MATEMÁTICOS DINÁMICOS
Edgar A. Estupiñan. ANALISIS DE VIBRACIONES APLICADO A LAS
MAQUINAS ROTATORIAS DE BAJA VELOCIDAD
